EP0491966A1 - Lagerung einer thermischen Turbomaschine - Google Patents

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EP0491966A1
EP0491966A1 EP90123734A EP90123734A EP0491966A1 EP 0491966 A1 EP0491966 A1 EP 0491966A1 EP 90123734 A EP90123734 A EP 90123734A EP 90123734 A EP90123734 A EP 90123734A EP 0491966 A1 EP0491966 A1 EP 0491966A1
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diffuser
housing
inner part
bearing
turbomachine
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Kamil Matyscak
Michael Dr. Müller
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/162—Bearing supports

Definitions

  • the invention relates to a thermal turbomachine, in particular an axially flow-through gas turbine, to the outlet rotor blades of which there is an exhaust gas housing, the boundary walls of which essentially consist of a hub-side annular inner part and an annular outer part, which delimit a diffuser and which are connected to one another via a plurality of ribs distributed uniformly over the circumference are, and wherein the outlet-side bearing of the turbomachine is arranged in the cavity within the inner part.
  • the diffuser In modern machines, the diffuser is no longer supported on the foundation itself, but is flange-mounted on the housing of the gas turbine.
  • the exhaust-side shaft bearing within the diffuser inner ring is in an extremely hot environment during machine operation. Both the positioning of the bearing and the absorption of the usually vertical load are located in the diffuser construction. However, due to the low creep rupture strength of the materials used, the entire supporting structure can deform over time.
  • the invention is therefore based on the object of creating a measure in turbomachines of the type mentioned in which the support of the outlet-side bearing is independent of the influences from thermal stress and thermal expansion of the housing and the diffuser walls.
  • the bearing housing can be positioned in its position with adjusting elements arranged on the inner part of the exhaust gas housing and is supported on the foundation via at least one spring support.
  • the advantage of the invention can be seen in particular in that the deformation of the diffuser due to the wave load is excluded is that the diffuser still positions the rotor in the outer case. As a result, the radial blade clearances in the turbomachine remain unaffected even when the housing is lowered, for example.
  • the thermal turbomachine here a gas turbine, of which the exhaust side and the last four axially flowed stages are shown in FIG. 1, consists essentially of the bladed rotor 1 and the blade carrier 2 equipped with guide blades.
  • the blade carrier is suspended in the turbine housing 3 .
  • the exhaust duct 5 is flanged to the turbine housing and essentially consists of a hub-side, annular inner part 6 and an annular outer part 7, which delimit the diffuser 9.
  • Both elements 6 and 7 can be half-shells with an axial parting plane (Fig. 2, flanges not shown) or one-piece pot housings. you are connected to one another by a plurality of welded-on radial flow ribs 8, which are arranged evenly distributed over the circumference.
  • the annular outer part 7 is provided on the turbine side with an annular sealing strip 10 which is flush with the cylinder-side contour of the turbine channel through which flow passes.
  • the outlet-side mounting of the turbomachine is arranged in the cavity within the inner part 6.
  • the rotor 1 lies in a support bearing 4, the bearing housing 11 of which is positioned by means of adjusting elements 12 (FIG. 2) which are part of the inner part 6. Since the flue gas duct flanged to the turbine housing is to be regarded as a rigid extension of the housing, these adjustment means 12 are sufficient for setting the bearing and there are no further aids which ensure compliance with the bearing line.
  • the bearing load is no longer absorbed by the diffuser design, but instead is led out of the hot diffuser area.
  • This is done via a beam 13, which is fastened at its upper end to the lower part of the bearing housing 11 by conventional means, for example a joint 14; at its lower end the beam is connected to a commercially available spring support 15 standing on the foundation.
  • the ribs 8 in the diffuser 9 expediently have a wing profile and are hollow.
  • the beam 13 is passed through the lower, vertical rib.
  • This spring support 15 is able to absorb thermal expansions of the beam 13 with a constant load. This ensures that the storage line is not affected. Since the load-bearing element of such a spring support is generally a coil spring with a very flat spring characteristic, a certain screw height is required to perform its compensation function. In the absence of sufficient space between The exhaust duct and foundation are therefore divided into several, here three spring supports 15, the bearing load, which can be around 30 tons in today's machines.
  • the measure described has the advantage that the diffuser construction flanged to the turbine housing, since it is freed from the bearing load, can now be carried out more easily. In particular, there are savings in costly heat-resistant material.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described, which has a diffuser with an axial outlet and thus greatly facilitates the arrangement of flow ribs for carrying out the bearing support.
  • the invention is basically applicable wherever a machine element operating in a hot environment has to be fixed in an absolute position.

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Bei einer axialdurchströmte Gasturbine schliesst sich an deren Austrittslaufschaufeln ein Abgasgehäuse (5) an, dessen Begrenzungswände im wesentlichen aus einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil (6) und einem ringförmigen Aussenteil (7) bestehen, welche einen Diffusor (9) begrenzen. Im Hohlraum innerhalb des Innenteils ist die austrittsseitige Lagerung (4,11) der Turbomaschine angeordnet. Das Lagergehäuse (11) ist mit am Innenteil (6) des Abgasgehäuses (6) angeordneten Verstellelementen (12) in seiner Lage positionierbar und ist über mindestens eine Federstütze (15) am Fundament abgestützt. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine thermische Turbomaschine, insbesondere axialdurchströmte Gasturbine, an deren Austrittslaufschaufeln sich ein Abgasgehäuse anschliesst, dessen Begrenzungswände im wesentlichen aus einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil und einem ringförmigen Aussenteil bestehen, welche einen Diffusor begrenzen und welche über mehrere gleichmässig über dem Umfang verteilte Rippen miteinander verbunden sind, und wobei im Hohlraum innerhalb des Innenteils die austrittsseitige Lagerung der Turbomaschine angeordnet ist.
  • Aus strömungstechnischen Gründen und zur besseren Beeinflussung des Wirkungsgrades werden bei stationären Gasturbinenanlagen relativ lange, sich vorzugsweise in axialer Richtung erstreckende Austrittsdiffusoren vorgesehen. Dadurch ist es erforderlich, das abgasseitige Lager des Turbinenläufers in der Diffusorkonstruktion selbst anzuordnen. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen Diffusorgehäuse, welches sich frei dehnen soll, und Turbinenläufer, welcher sich nicht verlagern darf, ergeben sich Probleme, die bisher auf unterschiedliche Art gelöst wurden.
    • Stand der Technik
  • So ist es beispielsweise aus der US-A-3,261,587 bekannt, im Diffusor einer Jet-Gasturbine, welcher über stromlinienförmige Rippen mit einem Aussengehäuse verbunden ist, den Tragring des Wellenlagers über wärmebeweglich im Diffusor eingesetzte Stifte in radialen Ebenen am Aussengehäuse abzustützen. Dadurch werden die vorherrschenden dynamischen Kräfte, aber auch die Dehnungskräfte des Abgasdiffusors auf das Aussengehäuse übertragen. Das Aussengehäuse selbst ist über Pratzen oder Pendelstützen am Fundament abgestützt.
  • Im instationären Betrieb, wie er beispielsweise bei Kraftwerks-Gasturbinen zur Spitzenlastdeckung häufig vorkommt, treten an den Gehäusen Wärmespannungen und Differenzdehnungen auf, die zu Spieländerungen zwischen Gehäuse und Läufer führen und die auch die Wellenlagerung beenflussen können. Es kann dann zu Beschädigungen der Lager und Stopfbüchsen sowie zu Schaufelhavarien kommen. Insbesondere bei derzeitigen modernen Maschinen mit grossen Dimensionen und hohen Temperaturen werden diese Nachteile in stärkerem Ausmass wirksam.
  • Eine frühe Lösung, bei welcher der Abgasdiffusor völlig vom Aussengehäuse der Gasturbine getrennt wurde, ist bekannt aus der DE-C-768 036. Äussere und innere Ringwände des Diffusors sind über wärmebewegliche und dehnungsausgleichende Elemente miteinander verbunden und im Innern der nabenseitigen Innenwand ist das Endlager des Läufers abgestützt. Auch bei dieser Bauart können wegen der unterschiedlichen Dehnungen Wellenverlagerungen auftreten. Insbesondere an den wärmebeweglichen Verbindungsstellen zwischen Abgasdiffusor und Abgasgehäuse treten grosse Wärmespannungen auf, welche die dort vorherrschenden Dichtungsprobleme erschweren.
  • Bei modernen Maschinen ist der Diffusor nicht mehr selbst am Fundament abgestützt, sondern er ist am am Gehäuse der Gasturbine angeflanscht. Die abgasseitige Wellenlagerung innerhalb des Diffusor-Innenringes befindet sich während des Maschinenbetriebes in einer ausserordentlich heissen Umgebung. Sowohl die Positionierung des Lagers als auch die Aufnahme der üblicherweise vertikalen Last befinden sich in der Diffusorkonstruktion. Es kann sich jedoch infolge der niedrigen Zeitstandfestigkeit der verwendeten Materialien im Laufe der Zeit die ganze Tragstruktur deformieren.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die deshalb Aufgabe zugrunde, bei Turbomaschinen der eingangs genannten Art eine Massnahme zu schaffen, bei welcher die Abstützung der austrittsseitigen Lagerung von den Einflüssen aus Wärmebeanspruchung und Wärmedehnung des Gehäuses und der Diffusorwandungen unabhängig ist.
  • Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Lagergehäuse mit am Innenteil des Abgasgehäuses angeordneten Verstellelementen in seiner Lage positionierbar ist und über mindestens eine Federstütze am Fundament abgestützt ist.
  • Zwar ist es aus der US-A- 4,076,452 bekannt, bei einer Gasturbine die abgasseitigen Lagerkräfte über Stützen aus dem Diffusorinnern ins Fundament abzuleiten. Jedoch handelt es sich dabei um wärmeempfindliche starre Stützen, die zum einen von einem Kühlmittel umströmt oder durchströmt werden, und zum andern mit einem Isoliermittel gegen die im Innern des Diffusors herrschende Temperatur geschützt sind. Darüberhinaus steht das Lager selbst in keinerlei Wirkverbindung mit den Diffusorwandungen.
  • Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass die Deformation des Diffusors durch die Wellenlast ausgeschlossen ist, dass jedoch der Diffusor trotzdem den Rotor im Aussengehäuse positioniert. Dadurch bleiben auch bei beispielsweisen Gehäuseabsenkungen die radialen Schaufelspiele in der Turbomaschine unberührt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbine mit axial/axialem Austritt dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig.1
    einen Teillängsschnitt einer Gasturbine mit erfindungsgemässer Lagerabstüzung;
    Fig.2
    einen Querchnitt durch den Diffusor nach Linie 2-2 in Fig.1
  • Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichterteil, die Brennkammer sowie das vollständige Abgasrohr und der Kamin. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ist mit Pfeilen bezeichnet.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Die thermische Turbomaschine, hier eine Gasturbine, von der in Fig.1 die die Abgasseite und die vier letzten, axialdurchströmten Stufen dargestellt sind, besteht im wesentlichen aus dem beschaufelten Rotor 1 und dem mit Leitschaufeln bestückten Schaufelträger 2. Der Schaufelträger ist im Turbinengehäuse 3 eingehängt. An das Turbinengehäuse ist der Abgaskanal 5 angeflanscht, welcher im wesentlichen aus einem nabenseitigen, ringförmigen Innenteil 6 und einem ringförmigen Aussenteil 7 besteht, welche den Diffusor 9 begrenzen. Beide Elemente 6 und 7 können Halbschalen mit axialer Trennebene (Fig.2, Flansche nicht dagestellt) oder einteilige Topfgehäuse sein. Sie sind miteinander verbunden durch mehrere angeschweisste radiale Strömungsrippen 8, die gleichmässig verteilt über den Umfang angeordnet sind. Der ringförmige Aussenteil 7 ist turbinenseitig mit einer ringförmigen Dichtleiste 10 versehen, welche bündig ist mit der zylinderseitigen Kontur des durchströmten Turbinenkanals.
  • Im Hohlraum innerhalb des Innenteils 6 ist die austrittsseitige Lagerung der Turbomaschine angeordnet. Der Rotor 1 liegt in einem Traglager 4 ein, dessen Lagergehäuse 11 mittels Verstellelementen 12 (Fig.2), welche Bestandteil des Innenteils 6 sind, positioniert ist. Da der am Turbinengehäuse angeflanschte Abgaskanal als starre Verlängerung des Gehäuses anzusehen ist, genügen diese Verstellmittel 12 zur Lagereinstellung und es erübrigen sich weitere Hilfsmittel, welche die Einhaltung der Lagerlinie gewährleisten.
  • Zur Trennung der Funktionen "Positionierung" und "Lastaufnahme" wird nunmehr die Lagerlast nicht mehr von der Diffusorkonstruktion aufgenommen, sondern aus dem heissen Diffusorbereich herausgeführt. Dies geschieht über einen Balken 13, der mit seinem oberen Ende mit üblichen Mitteln, beispielsweise einem Gelenk 14, am Unterteil des Lagergehäuses 11 befestigt ist; an seinem unteren Ende ist der Balken mit einer auf dem Fundament stehenden handelsüblichen Federstütze 15 verbunden. Die Rippen 8 im Diffusor 9 haben zweckmässigerweise ein Tragflügelprofil und sind hohl ausgebildet. Der Balken 13 wird durch die untere, vertikale Rippe hindurchgeführt.
  • Diese Federstütze 15 ist in der Lage, bei gleichbleibender Belastung Wärmedehnungen des Balkens 13 aufzunehmen. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Lagerlinie nicht beeinträchtigt wird. Da das tragende Element einer solchen Federstütze in der Regel eine Schraubenfeder mit sehr flacher Federcharakteristik ist, ist zur Ausübung ihrer Kompensationsfunktion eine gewisse Schraubenhöhe erforderlich. Mangels genügendem Freiraum zwischen Abgaskanal und Fundament wird deshalb die Lagerlast, die bei heutigen Maschinen durchaus die Grössenordnung von ca. 30 Tonnen betragen kann, auf mehrere, hier drei Federstützen 15 aufgeteilt.
  • Die beschriebene Massnahme weist den Vorteil auf, dass die am Turbinengehäuse angeflanschte Diffusorkonstruktion, da sie von der Lagerlast befreit ist, nunmehr leichter ausgeführt werden kann. Insbesondere ergeben sich Einsparungen an kostspieligem warmfesten Material.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, welches einen Diffusor mit axialem Austritt zum Gegenstand hat und damit die Anordnung von Strömungsrippen zur Durchführung der Lagerstütze stark erleichtert.
  • In Abweichung zur gezeigten Lösung mittels Federstützen könnten genau so gut sogenannte Konstantstützen Anwendung finden. Desweiteren ist es ohne weiteres denkbar, statt über Stützen, die direkt auf das Fundament wirken, die Lagerlast über Federhänger oder Konstanthänger in einen den Abgaskanal überspannenden Bügel zu leiten. In diesem Fall könnte der dann mit dem Lagergehäuse verbundene Zugbalken durch die obere vertikale Rippe innerhalb des Diffusors hindurchgeführt werden.
  • Im übrigen ist die Erfindung grundsätzlich überall dort anwendbar, wo ein in einer heissen Umgebung operierendes Maschinenelement in einer absoluten Lage fixiert werden muss.

Claims (2)

  1. Thermische Turbomaschine, insbesondere axialdurchströmte Gasturbine, an deren Austrittslaufschaufeln sich ein Abgasgehäuse (5) anschliesst, dessen Begrenzungswände im wesentlichen aus einem nabenseitigen ringförmigen Innenteil (6) und einem ringförmigen Aussenteil (7) bestehen, welche einen Diffusor (9) begrenzen und welche über mehrere gleichmässig über dem Umfang verteilte Rippen (8) miteinander verbunden sind, und wobei im Hohlraum innerhalb des Innenteils die austrittsseitige Lagerung (4,11) der Turbomaschine angeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Lagergehäuse (11) mit am Innenteil (6) des Abgasgehäuses (6) angeordneten Verstellelementen (12) in seiner Lage positionierbar ist und über mindestens eine Federstütze (15) am Fundament abgestützt ist.
  2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagergehäuse (11) über einen Balken (13) mit der Federstütze (15) verbunden ist, wobei der Balken (13) durch eine hohl ausgebildete Rippe (8) durch den Diffusor (9) aus dem Abgasgehäuse (6) herausgeführt ist.
EP90123734A 1990-12-10 1990-12-10 Lagerung einer thermischen Turbomaschine Expired - Lifetime EP0491966B1 (de)

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